光伏建筑一体化发电系统在东方智能科技园的应用
安朝封、任志远、向成兵
（烟台东方科技环保节能有限公司 山东 烟台 264003）
摘要：本文介绍了东方智能科技园屋顶光伏发电系统的构成、相关设计参数和关键技术，对构成光伏发电系统的各环节进行了介绍说明，并简要阐述了光电建筑一体化发电系统的示范意义和推广价值。同时提出了如何将光电建筑一体化项目效益最大化需要解决的问题。
关键词：分布式能源；离网系统；光伏建筑一体化；智能微网；
一、项目背景
烟台东方科技环保节能有限公司是东方电子集团公司子公司，是集团节能业务的主要承载公司，专业从事节能产品科研开发、生产经营、系统集成、技术服务以及节能咨询诊断的节能服务公司。国家发改委审核备案的节能服务公司之一。由于业务发展需要，在烟台市高新区新建东方智能科技园作为研发、生产基地。
新能源分布式发电系统作为智能微网重要的电源系统，是智能微网发展的的关键技术之一。东方电子在投入大量人力物力对智能电网进行研发的同时，规划在东方智能科技园建设智能微网系统，系统涉及新能源发电、峰谷蓄能、微网控制等技术。
光伏建筑一体化是将光伏发电系统与建筑有机结合，把太阳能的利用纳入建筑物的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，可减少成本，提高效益，适用于各种形式的建筑。
作为摸索性的研究，东方电子利用东方智能科技园屋顶建设了2.2MWp自发自用光伏发电系统，作为对智能微网、新能源和分布式能源的摸索实践。该项目获得2012年国家“光伏建筑一体化”财政补贴，并于2013年6月通过国家相关部门验收，正式并网发电（自用）。
二、并网系统与离网系统
太阳能光伏发电系统的运行方式可分为并网运行和离网运行两种。东方智能科技园2.2MWp光伏发电系统采用并网运行方式，配有防逆功能可以实现并网不上网运行，同时系统设计时考虑了预留接口，可将系统的个别光伏发电单元通过增加离网逆变器和控制器、蓄电池等改造为离网运行模式，离网系统也是东方智能科技园
智能微网规划的重要组成部分。
1、离网系统
离网光伏发电系统可以将光伏组件发出的直流电能直接供给直流负载，并将多余能量经过充电控制器后存储在蓄电池中，同时可以通过离网逆变器输出独立的交流电给交流负载使用。离网系统的特点是发电与用电可以不同步，电能可以储存在电池中。由于离网系统需要蓄电池作为储能装置，可根据具体用电情况，不受电网覆盖、地理位置的约束，主要用于无电网的边远地区、通信基站或岛屿等场合，但整个系统造价较高，存在蓄电池的二次污染问题。
离网型光伏发电系统构成示意图如下图所示。
图 1 离网光伏系统示意图
2、并网系统
并网光伏发电系统是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成电压、频率及电能质量符合电网要求的交流电之后直接接入电网，供给电网的负载使用。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由公共电网给负载供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，降低了成本。系统中由并网逆变器保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等指标的要求。并网系统能够并行使用电网和太阳能光伏发电系统作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率，还可以对公用电网起到调峰作用。并网型光伏发电系统示意图如下图所示。
图 2 并网光伏系统示意图
三、项目概况及构成
1、建筑物及光伏发电系统概况
东方电子智能科技园位于烟台市高新区海兴路28号，总占地面积约220.73亩，分三期建设研发基地和生产厂区。一期A、B两栋厂房建筑面积约为29017平方米，设计为利用厂房屋顶布置太阳能电池板。屋顶承重能力满足太阳能电池板施工的承重要求。
东方智能科技园光伏发电系统总配置容量2.2MWp，分别采用单晶硅和多晶硅两种组件，分别布置于A、B厂房和成品库屋顶，其中单晶硅1.26MWp，多晶硅0.95MWp。系统为无逆流的用户侧并网发电系统，接入点选择各厂区厂房配电室，无须升压直接并入0.4kv低压侧。系统整体布置情况如表1所示。
表 1 东方智能科技园光伏发电系统整体布置情况 序号 安装地点 容量 630 kWp 630 kWp 300 kWp 150 kWp 300 kWp 200 kWp 组件类型 单晶硅 单晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 多晶硅 1#系统 A厂房南面及气楼南面 2#系统 B厂房南面及气楼南面 3#系统 A厂房北面及气楼北面 4#系统 A厂房耳房 5#系统 B厂房北面及气楼北面 6#系统 成品库 合计： 2.21MWp 2、光伏发电系统构成
东方智能科技园2.2MWp光伏发电系统共有6个光伏发电单元组成，系统图如
下图所示。
图 3 光伏整体系统图
系统配置一套环境监测系统，用与采集环境温度、光照强度、光伏组件背板温度、风向和风速。
系统配置一套上位监控系统，由东方电子开发，用于对整套系统进行监测和远程控制。监控系统通过RS485通讯与汇流箱、监测仪、逆变器、电能表、直流柜等设备进行连接，监测实时运行状态并对设备进行控制。对数据进行汇总分析，并将节能数据与住建部能源监测平台进行通讯，将相关数据上传。光伏监控系统能实时监测环境数据及光伏系统各设备的参数并进行记录、筛选，生产成关报表，并且具有WEB功能。通过对光照强度、环境温度、光伏背板温度以及各发电单元发电功率的数据汇总分析，可以对烟台地区光伏发电的情况进行分析论证，为烟台地区后续光伏建筑一体化项目的建设提供借鉴数据。
每个光伏发电单元均由光伏组件、汇流箱、直流交流逆变设备（直流柜、逆变器、并网柜）组成。以4#光伏发电单元为例（示意图如下），组件采用250Wp多晶硅组件，20块组件为一串，10串组成一个光伏阵列采用一个汇流箱进行汇流，每个汇流箱阵列为50 kWp，4#系统由3个汇流箱阵列组成，总容量为150kWp，配置1台150kW的并网型逆变器，逆变器输出侧接入并网柜，并入厂区400V交流母线，
并网柜内配有计量装置及保护。
..........................................................................................2AX07汇流箱2AX082AX094A逆变器A2并网配电柜至A厂房400V母线并网点
图 4 4#光伏发电单元示意图
四、项目关键技术及参数 1、光伏组件效率及参数
系统采用单晶硅和多晶硅两种组件，组件使用寿命不低于25年，单晶硅太阳能组件的转换率≥15.58%，峰值电压30.38V，峰值电流8.23A，短路电池8.81A，开路电压38.19V。多晶硅太阳能组件的转换率≥15.37%，峰值电压30.3V，峰值电流8.26A，短路电池8.9A，开路电压37.3V。组件衰减率在1年小于2%，10年小于 10%，25年小于20%。
2、逆变效率及电能质量
逆变器的效率直接影响系统的运行效率，同时逆变器的各项参数直接影响项目的电能质量。该项目逆变器实测关键技术参数如下：
电网工作电压范围：400V(±10%可设定) 电网工作频率范围：47～52Hz（可设置） 电网工作功率因数：0.9（超前）～0.9（滞后）
电流总谐波畸变率THD（%）：<3%
最大效率：不同容量逆变器略有差异，均大于96.56% 欧洲效率：不同容量逆变器略有差异，均大于95.9% 夜间自耗电：<5W
3、孤岛效应及保护
“孤岛效应”指在电网情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电的现象。“孤岛效应”对设备和人员的安全存在重大隐患，不仅会造成检修人员伤亡事故，而且还可能损坏设备。逆变器均有防孤岛效应保护功能，同时还具有直流过流、直流过压、交流过流、交流过/欠压、过/欠频、输出短路、防反放电、极性反接、过温及接地故障等保护。
4、防逆流保护
东方智能科技园2.2MWp光伏发电系统设计为自发自用、余电不上网并网方案，因此系统系统为不可逆流发电系统，即光伏并网系统所发的电由本地负荷消耗，多余的电不允许通过变压器向上级电网逆向送电。在并网发电系统中，由于外部环境是不断变化的，为了防止光伏并网系统逆向发电，系统需要配置防逆流功能。
东方智能科技园光伏发电系统防逆流采用“软件、硬件”技术结合，模拟量调节和开关量双重控制方式，不仅提高系统可靠性，同时提高系统功率控制精度。其系统结构图如下：
以太网通讯1#配电室主开关柜终端机后台上位机2#配电室主开关柜计量电表计量电表485总线通讯2#配电室逆流告警信号1#配电室逆流告警信号#1配电室逆变器系统#2配电室逆变器系统
图 5 离逆流系统结构图
五、项目效益及示范价值
东方智能科技园2.2MWp光伏发电系统，年发电能力约231万度，折合年节省标准煤854吨，减排二氧化碳约2303吨、二氧化硫约69.3吨。同时采用光伏建筑一体化设计，光伏组件在一定程度上增加了建筑物的隔热能力，对空调系统运行也具有积极的作用，具有良好的环保节能效益。
同时光伏发电利用时间大部分为峰电价时间，按电价1元/kWh计，年经济效益约231万元，极大降低了企业的生产成本，提高企业的市场竞争力和赢利能力，极具推广价值。目前东方电子已与高新区管委计划共同利用高新区建筑物建设20MWp 分布式光伏发电系统，将高新区打造为光伏示范基础。
除经济效益外，在产业化方面，东方电子公司依托公司在光伏发电、风力发电、无功补偿、变频电源、智能电网、物联网等领域深厚的技术积累和广泛的市场基础，加大分布式光伏发电系统的汇流、直流控制、逆变、并网控制等方面的研发投入，解决光伏分布式能源应用的难题，为解决智能电网和微网的技术难题建立了试验基地。
六、总结及展望
东方智能科技园2.2MWp光伏发电系统于2013年5月投入试运行，较好的实现了太阳能光电与建筑的结合，达到了国家太阳能光电建筑应用示范项目的要求，社会、经济和环境效益良好，具有示范带头作用。并于2013年6月通过了山东省住房和城乡建设厅和财政部的专家验收。
同时，由于该系统采用并网自用、不允许上网的接入模式，在节假日或厂区自用电量较少时，无法充分利用光伏发电所创造的效益，如何尽快解决相关政策问题和接入技术问题，将光伏发电的节能效益最大化，是该项目亟需解决的问题。
突出示范项目的特点，比如数据的采集和分析，后台监控等有特色的内容等。
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